ใบไม้เทียมจากสิงคโปร์ผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลที่ปนเปื้อน

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีหนานยาง (NTU) ในสิงคโปร์ ได้นำเสนอใบไม้เทียมที่สามารถผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลโดยใช้เพียงแสงแดด อุปกรณ์นี้ยังสามารถทำลายไฮดราซีน ซึ่งเป็นสารเคมีที่เป็นพิษร้ายแรงที่พบในน้ำเสียจากอุตสาหกรรมบางแห่ง ดังนั้นจึงสามารถแก้ปัญหาการผลิตเชื้อเพลิงสะอาดและการกำจัดมลพิษได้ในขั้นตอนเดียว

นักวิจัยได้ตีพิมพ์ผลงานในวารสาร Nature Communicationsโดยมีศาสตราจารย์ Lydia H. Wong จากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีหนานยาง (NTU) เป็นหัวหน้าทีม

ทำไมน้ำทะเลถึงกระด้าง

เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้แยกน้ำจืดที่ผ่านการกรองแล้ว น้ำทะเลมีปริมาณมากกว่ามาก แต่เกลือในน้ำทะเลก่อให้เกิดปัญหา เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ไอออนคลอไรด์มีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นสารประกอบคลอรีนซึ่งมีฤทธิ์กัดกร่อนและเป็นพิษ

สารประกอบเหล่านั้นกัดกร่อนอิเล็กโทรดและก่อให้เกิดปัญหาของเสียขึ้นมาเอง ส่งผลให้การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลมักต้องผ่านกระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง หรือใช้อิเล็กโทรดที่ทนต่อการกัดกร่อน

การขาดแคลนน้ำจืดเป็นปัญหาสำคัญสำหรับโครงการสร้างศูนย์กลางไฮโดรเจนในพื้นที่ชายฝั่งแห้งแล้ง เช่น บางส่วนของออสเตรเลีย ตะวันออกกลาง และแอฟริกาเหนือ การใช้น้ำทะเลโดยตรงจะช่วยลดแรงกดดันดังกล่าวได้ นอกจากนี้ยังเหมาะสมกับประเทศที่เป็นเกาะ เช่น สิงคโปร์ ซึ่งมียุทธศาสตร์ไฮโดรเจนระดับชาติแต่มีน้ำจืดจำกัด

การออกแบบของ NTU หลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ได้เป็นส่วนใหญ่ ทีมงานได้ติดตั้งตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วบวก ซึ่งจะสลายไฮดราซีนให้กลายเป็นไฮโดรเจนและไนโตรเจน ในขณะเดียวกัน ปฏิกิริยานี้ยังช่วยยับยั้งการก่อตัวของสารประกอบคลอรีนด้วย

แคโทดเพอร์รอฟสไกต์

อีกด้านหนึ่งของอุปกรณ์ นักวิจัยได้สร้างแคโทดจากสารประกอบเพอร์รอฟสไกต์เฮไลด์ตะกั่ว วัสดุผลึกเหล่านี้ดูดซับแสงได้ดีและเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าได้ในราคาประหยัด จึงได้รับความสนใจอย่างมากในการวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นอกจากนี้ ผู้ผลิตยังสามารถแปรรูปวัสดุเหล่านี้จากสารละลายที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งช่วยลดต้นทุนได้

ในงานวิจัยนี้ โฟโตแคโทดเพอร์รอฟสไกต์สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้ถึง 25 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าเป็นการวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่อุปกรณ์ผลิตได้ต่อพื้นที่ที่ได้รับแสง ทีมวิจัยกล่าวว่าตัวเลขนี้เป็นหนึ่งในค่าสูงสุดที่เคยมีการรายงานสำหรับแคโทดเพอร์รอฟสไกต์ที่มีตะกั่วเป็นส่วนประกอบ

อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถรักษาระดับการผลิตพลังงานได้อย่างเสถียรนานกว่า 72 ชั่วโมงภายใต้แสงสว่างเทียบเท่าแสงแดดเต็มที่ในวันที่ท้องฟ้าแจ่มใส ขณะเดียวกันก็ผลิตไฮโดรเจนได้ในอัตราที่เทียบได้กับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบเดียวกัน

น้ำสะอาดขณะใช้งาน

เนื่องจากใบไม้ทำงานโดยไม่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก จึงสามารถขับเคลื่อนได้ด้วยตัวเอง กล่าวคือ แสงแดดเพียงอย่างเดียวเป็นตัวขับเคลื่อนปฏิกิริยาทั้งสอง โดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟหลักหรือแบตเตอรี่ ในการทดสอบ พบว่าสามารถย่อยสลายไฮดราซีนจนเหลือต่ำกว่า 1 ส่วนในพันล้านส่วนภายในเวลาประมาณ 30 ชั่วโมง กล่าวคือ อุปกรณ์นี้สามารถกำจัดสารมลพิษเกือบทั้งหมดออกจากสารละลายทดสอบได้

ไฮดราซีนถูกนำไปใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรม รวมถึงการผลิตสารเคมี และเป็นเชื้อเพลิงจรวด มันเป็นพิษต่อคนและสิ่งมีชีวิตในน้ำ ดังนั้นน้ำเสียที่มีไฮดราซีนจึงต้องได้รับการบำบัดอย่างระมัดระวัง อุปกรณ์ที่สามารถกำจัดไฮดราซีนออกไปพร้อมกับการผลิตเชื้อเพลิงได้ อาจเปลี่ยนต้นทุนการกำจัดให้กลายเป็นแหล่งรายได้เล็กๆ ได้

อุปสรรคก่อนการขยายขนาด

ผลลัพธ์ที่ได้เป็นเพียงการทดลองในระดับห้องปฏิบัติการ และยังมีคำถามสำคัญอีกหลายข้อที่ยังไม่มีคำตอบ สารประกอบเพอร์รอฟสไกต์มีจุดอ่อนที่ทราบกันดีอยู่แล้ว คือจะเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับความชื้น ความร้อน และแสงเป็นเวลานาน การทำงานได้อย่างเสถียรนานถึงสามวันถือเป็นผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมสำหรับวัสดุประเภทนี้ แม้ว่าระบบเชิงพาณิชย์จะต้องใช้งานเป็นเวลาหลายปีก็ตาม

การใช้ตะกั่วทำให้เกิดข้อสงสัยสำหรับอุปกรณ์ใดๆ ที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานในน้ำ วิศวกรจำเป็นต้องแสดงให้เห็นว่าวัสดุนั้นยังคงปิดผนึกได้เป็นเวลานาน นอกจากนี้ การขยายขนาดเซลล์ขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการไปเป็นแผงขนาดใหญ่มักจะลดประสิทธิภาพลง

ถึงกระนั้น งานวิจัยนี้ก็เป็นการเพิ่มเติมแนวทางใหม่ๆ ในการผลิตไฮโดรเจนโดยตรงจากพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งรวมถึงวัสดุพลังงานแสงอาทิตย์แบบหลายชั้นที่ช่วยเร่งกระบวนการแยกน้ำสำหรับพื้นที่อุตสาหกรรมชายฝั่ง การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลพร้อมกับการบำบัดน้ำเสียไปพร้อมกันนั้นถือเป็นแนวทางที่น่าสนใจ ขั้นตอนต่อไปคือการพิสูจน์ว่าแนวคิดนี้สามารถใช้งานได้จริงในสภาพแวดล้อมภายนอกห้องปฏิบัติการ